一种基于超材料的可调谐太赫兹滤波器的制作方法

本发明属于电磁功能器件技术领域，具体涉及一种基于超材料的可调谐太赫兹滤波器。

背景技术：

太赫兹波(terahertzwave)是指频率从0.1thz到10thz(thz，1thz＝10¹²hz)，波长介于毫米波与红外光之间的电磁波。太赫兹波所在的频率位置正好位于宏观经典理论向微观量子理论的过度区域，是最后一个人类还没有完全利用的波段，对于该波段的研究是21世纪科学研究最前沿的领域之一。在最近几十年时间里，关于太赫兹波的研究日新月异，使其在短距离无线通信、卫星通信、医学成像、射电天文和遥感雷达等领域具有广阔的应用前景。特别是近些年来，对太赫兹波的传输特性和传输器件方面的研究得到了广泛的关注，太赫兹波导，太赫兹天线，太赫兹波调制器和开关等太赫兹器件取得了不俗的发展，推动了太赫兹相关系统的搭建和应用。因此，太赫兹技术具有非常巨大的发展潜力与应用前景。但是，目前太赫兹技术的发展主要受制于自然界固有材料对太赫兹波的电磁响应很弱，不能产生有效的太赫兹波段的电磁辐射，以及无法对太赫兹波进行有效的检测，这都极大的影响了太赫兹器件的发展。如何高效的产生和检测太赫兹波就成为了解决问题的关键。而超材料的出现正好成为解决这一难题的有效方法之一。

超材料(metamaterial)，又称特异材料，是一种由亚波长人工单元按照一定规律排列所构成的人工电磁煤质。其中由于人工单元的尺寸远小于工作波长，因此相对于工作波长而言是一种性能均匀的材料。超材料的优点在于可以通过调节人工单元的结构、尺寸和分布形式来控制材料的电磁属性，从而获得多种新颖的特性。例如利用超材料可以制备左手材料，完美透镜以及光波段的隐身衣等。而这些特性，是自然物质没有或者很难实现的。组成超材料最常用的人工单元包括有限长线条(cutwires)和开口环共振器(splitringresonator,srr)等。

2013年南京大学梁兰菊等人在《propagationcharacteristicofthzwaveinringresonatormulti-layermetamaterials》中提出利用metamaterial设计了一种五层式的电磁波滤波器，该滤波器具有良好的电磁波滤波效果，其中心频率介于0.3-3thz之间；3db带宽≥10％；带内传输系数≥85％；带外抑制≤-15db，但该太赫兹滤波器，带宽较宽，带外抑制较弱，选择性较差。然而目前日益复杂的电磁应用环境需要带宽较窄，带外抑制较强，选择性较好的滤波器；基于此，本发明提供一种基于超材料的可调谐太赫兹波滤波器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于超材料的可调谐太赫兹滤波器，用以获得较窄的带宽、良好的选择性、损耗低、较强的带外抑制和带内透射，同时可调谐。该滤波器可实现中心频率介于0.3-3thz之间，3db带宽≥15％，带内传输系数≥80％，带外抑制≤-25db；在保持制备工艺稳定性的情况下扩大太赫兹波滤波器适用性，使该滤波器能够适用于太赫兹无线通信，太赫兹成像等系统中。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于超材料的可调谐太赫兹滤波器，其特征在于，所述太赫兹波滤波器采用4层复合结构，包括从下往上依次层叠的高阻硅衬底层、第一聚酰亚胺支撑层、第一超材料层、第二聚酰亚胺支撑层、第二超材料层、第三聚酰亚胺支撑层、第三超材料层与第四聚酰亚胺支撑层；所述第一超材料层、第二超材料层与第三超材料层结构相同，均由若干个金属人工结构单元周期性排列构成，所述金属人工结构单元呈正方形。

进一步的，所述金属人工结构单元的边长为50～55um、边框宽度为3～5um，相邻金属人工结构单元间距为30～35um。

所述第一超材料层、第二超材料层与第三超材料层均为au层，厚度为0.2～0.3um。

所述四层聚酰亚胺支撑层均为连续pi胶薄膜，其厚度为45～50um，它是通过二酐与二胺在低温下聚合反应合成，生成聚酰胺酸，在高温下脱水固化后生成。

所述高阻硅衬底层的厚度为40～45um，其电阻率大于1000ω·cm。

从工作原理上讲：

本发明提供太赫兹波滤波器是一种基于人工电磁超材料的4层式太赫兹波滤波器，包括3层超材料和1层高阻衬底硅层，每层间采用pi胶薄膜支撑；该滤波器的滤波机理是调节滤波器在某个特定频率的阻抗z(w)与自由空间相匹配，此时该频段的电磁波能够完全进入并大部分透过该滤波器，从而实现滤波效果。而滤波器的中心频率是由超材料层对入射电磁波的电感-电容谐振频率所决定，且正方形超材料结构具有四轴对称结构，使得滤波器具有极化不敏感特性，即能够在te，tm两种极化形式下工作；另外，采用3层超材料层的复合结构能够进一步增强带外抑制，提升矩形系数，使得滤波特性更接近矩形；超材料层是通过光刻工艺及金属薄膜制备工艺制备于聚酰亚胺支撑层表面，因此可以通过适当缩小和放大超材料的尺寸，使得该滤波器可以应用于微波，太赫兹波甚至光波。

在加载激光时，高阻硅吸收入射光子能量，若光子能量大于或等于高阻硅的禁带宽度，就激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，导致太赫兹波的透射率降低，当激光功率足够大时，能够实现对太赫兹波的零透射；在未加载激光时，高阻硅内部载流子浓度低，对太赫兹波的透射良好，从而实现滤波器的可调谐。

综上，本发明的有益效果在于：

1，本发明提供基于人工超材料的可调谐太赫兹波滤波器，采用4层复合结构，实现了一种强带外抑制、高带内透射和窄带宽的太赫兹波带通滤波器，具体可实现参数如下：中心频率为1.12thz；3db带宽为16％；带内传输系数可达87.5％；并在中心频点±25％处具有-25db的带外抑制，显示了非常好的频率选择性，对于提升太赫兹应用系统的信噪比具有重要价值。

2，本发明提供基于人工超材料的可调谐太赫兹波滤波器，能够实现可调谐的太赫兹波滤波器，通过激光控制滤波器的开关，对滤波器加激光照射时，滤波效果不明显，无激光照射时，滤波效果明显。

3，本发明提供基于人工超材料的可调谐太赫兹波滤波器，若把衬底层剥离，则是一个不可调太赫兹滤波器，但该滤波器具有很好的可弯曲特性(柔性)，能够应用于复杂的非平面表面。

附图说明：

图1为本发明基于超材料的可调谐太赫兹滤波器的空间结构示意图。

图2为本发明实施例中太赫兹滤波器所采用的超材料人工结构，人工单元尺寸为：a＝52um,b＝30um,c＝4um。

图3为本发明实施例中理论计算所得到太赫兹滤波器的透射率曲线s2,1。

图4为本发明实施例中理论计算所得到太赫兹滤波器的透射率曲线s2,1，透射率单位为db。

图5为本发明实施例中衬底层剥离后的太赫兹波滤波器实物图。

图6为本发明实施例中测试所得太赫兹滤波器的太赫兹波透射率曲线，单位是db。

图7为本发明实施例中测试所得太赫兹滤波器的太赫兹波透射率曲线。

图8为本发明实施例中测试所得太赫兹滤波器在不同强度的激光照射下对太赫兹波的透射率曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步详细说明。

本实施例中提供基于超材料的可调谐太赫兹滤波器，其结构如图1所示，包括从下往上依次层叠的高阻硅衬底层8、第一聚酰亚胺支撑层7、第一超材料层6、第二聚酰亚胺支撑层5、第二超材料层4、第三聚酰亚胺支撑层3、第三超材料层2与第四聚酰亚胺支撑层1；所述第一超材料层、第二超材料层与第三超材料层结构相同，均由若干个金属人工结构单元周期性排列构成，所述金属人工结构单元呈正方形，如图2所示，采用金属au、厚度为0.2um，尺寸为：边长a＝52um、单元间距b＝30um、边框宽度c＝4um。

上述可调谐太赫兹波滤波器的制备过程包括以下步骤：

步骤1.清洗高阻硅衬底：将衬底依次进行丙酮、酒精和去离子水冲洗后烘干备用；

步骤2.制备pi胶层：以1500r/min的转速旋涂pi胶30s，然后放入加热板上以120℃的温度烘烤5min，用刀片割去硅片四角的pi胶，重复此过程4-5次；

步骤3.制备超材料层：采用正胶az6112光刻出超材料层结构，用磁控溅射的方法在其上面溅射金属au(0.2um)，然后将其放入丙酮中，用剥离法剥离出超材料结构，之后用酒精和去离子水冲洗后烘干；

步骤4、重复步骤2；

步骤5、与步骤3已制备的超材料层对准，重复步骤3；

步骤6、重复步骤2；

步骤7、与步骤3已制备的超材料层对准，重复步骤3；

步骤8、重复步骤2，即制备得可调谐的太赫兹波滤波器。

对上述太赫兹波滤波器进行测试：

测试采用太赫兹时域光谱系统(zemoga公司的fico系统)，太赫兹波由飞秒激光泵浦光电导天线产生，垂直入射到样品表面，透射波由光电导天线接收。

图5为本发明将衬底层剥离后的太赫兹波滤波器实物图，结果显示该滤波器具有一定的可弯曲性。

图6所示是本实验通过对利用fico系统对滤波器性能测试所得到的时域和频域数据处理后得到的滤波器透射率曲线，透射率单位是db。

图7所示为对实验测试数据处理后所得到的该滤波器透射率曲线，联合图6能够看出该滤波器的中心频率f0是1.12thz；3db带宽为16％；带内传输系数达到87.5％；在该滤波器f0-25％处，即频率约为0.84thz处的带外抑制为-25db；在f0+25％处，即频率约为1.4thz处的带外抑制为-26db。对比图3和图4(图3和图4是利用cts理论计算所得的该滤波器的透射率曲线)，从图中可以看出计算所得的中心频率f0为0.98thz；3db带宽为17％；带内传输系数达到87％；在该滤波器f0-25％处，即频率约为0.73thz处的带外抑制为-25db；在f0+25％处，即频率约为1.23thz处的带外抑制为-25db。通过对比可以发现测试结果与仿真结果略有差别，非常接近，满足设计要求。其中最为明显的差别在于仿真的中心频率点在0.98thz，而测试结果的中心频点在1.12thz，发生了中心频点的偏移，这种差别应该主要来源于样品加工误差。

图8为本发明中测试所得到的不同强度的激光照射到滤波器上时对太赫兹波的透射率曲线；用808激光源产生的不同强度的激光从侧面照射滤波器，太赫兹波从正面透过滤波器，可以得到随着激光强度的增加滤波器的滤波特性逐渐降低。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。